Для человека непосвященного электричество ассоциируется с вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют электрическую энергию, и о нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач или авария электросети, лишающая его привычного электрического освещения. Однако с электричеством связано немало других повседневных явлений. Бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба – все вырабатывают электрическую энергию.

Электроны и протоны

С точки зрения ученого электричество связано с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Поэтому научное понимание природы электричества зависит от уровня знаний об атомах и составляющих их субатомных частицах. Ключом к этому пониманию служит крошечный электрон.
Атомы любого вещества содержат один или более электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра по добно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Обычно число электронов в атоме равно числу протонов в ядре.
Однако протоны, будучи значительно тяжелее электронов, можно считать как бы закрепленными в центре атома. Этой предельно упрощенной модели атома вполне достаточно, чтобы объяснить основы электричества.
Электроны и протоны обладают одинаковым по величине электрическим зарядом (но разного знака), поэтому они притягиваются друг к другу. Заряд протона является положительным, а электрона – отрицательным. Атом, имеющий электронов больше или меньше, чем обычно, называется ионом. Если в атоме недостаточно электронов, то он называется положительным ионом, если же он содержит избыток электронов, то его называют отрицательным ионом.
Когда электрон покидает атом, тот приобретает некоторый положительный заряд. Электрон, лишенный своей «противоположности» – протона, либо движется к другому атому, либо возвращается к прежнему.
А почему электроны покидают атомы? Это объясняется несколькими причинами. Наиболее общая состоит в том, что под воздействием импульса света или какого-то внешнего электрона движущийся в атоме электрон может быть выбит со своей орбиты. Тепло заставляет атомы колебаться быстрее, так что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях электроны также перемещаются от атома к атому.
Хороший пример взаимосвязи химической и электрической активности дают нам мышцы. Мышечные волокна сокращаются при воздействии электрического сигнала, поступающего из нервной системы. Электрический ток стимулирует химические реакции, которые и приводят к сокращению мышцы. Внешние электрические сигналы нередко используются для искусственного стимулирования мышечной активности.

Проводимость

В некоторых веществах электроны под действием внешнего электрического поля движутся более свободно, чем в других. Говорят, что такие вещества обладают хорошей проводимостью. Их называют проводниками. К ним относятся большинство металлов, нагретые газы и некоторые жидкости. Воздух, резина, масло, полиэтилен и стекло плохо проводят электричество. Их называют диэлектриками и используют для изоляции хороших проводников.
Идеальных изоляторов (абсолютно не проводящих тока) не существует. При определенных условиях электроны можно удалить из любого атома. Однако обычно эти условия столь трудно выполнить, что с практической точки зрения подобные вещества можно считать непроводящими.
Существует группа веществ – полупроводники, – которые ведут себя отчасти как диэлектрики, а отчасти как проводники. К ним, в частности, относятся германий, кремний, окись меди. Благодаря своим свойствам полупроводники находят множество применений. Например, полупроводник может служить электрическим вентилем: подобно клапану велосипедной шины, он позволяет зарядам двигаться только в одном направлении. Такие устройства называются выпрямителями; они используются и в миниатюрных радиоприемниках, и на больших электростанциях для преобразования переменного тока в постоянный.
Тепло представляет собой хаотическую форму движения молекул или атомов, а температура – мера интенсивности этого движения (у большинства металлов с понижением температуры движение электронов становится более свободным). Это означает, что электрическое сопротивление свободному движению электронов падает с уменьшением температуры, т.е. электрическая провдимость металлов возрастает.

Сверхпроводимость

В некоторых веществах при очень низких температурах сопротивление потоку электронов исчезает полностью, и электроны, начав движение, продолжают его неограниченно. Это явление называется сверхпроводимостью. При температуре несколько градусов выше абсолютного нуля (— 273 С) она наблюдается в таких металлах, как олово, свинец, алюминий и ниобий.